Резиновые материалы (стр. 1 из 3)

ВВЕДЕНИЕ

Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками.

Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку — главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000 %), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.

Модуль упругости лежит в пределах 1—10 МПа, т. е. он в тысячи и десятки тысяч раз меньше, чем для других материалов. Особенностью резины является ее малая сжимаемость (для инженерных расчетов резину считают несжимаемой); коэффициент Пуассона 0,4—0,5, тогда как для металла эта величина составляет 0,25—0,30. Другой особенностью резины как технического материала является релаксационный характер деформации. При нормальной температуре время релаксации может составлять 10^-4 с и более. При работе резины в условиях многократных механических напряжений часть энергии, воспринимаемой изделием, теряется на внутреннее трение (в самом каучуке и между молекулами каучука и частицами добавок); это трение преобразуется в теплоту и является причиной гистерезисных потерь. При эксплуатации толстостенных деталей (например, шин) вследствие низкой теплопроводности материала нарастание температуры в массе резины снижает ее работоспособность.

Кроме отмеченных особенностей для резиновых материалов характерны высокая стойкость к истиранию, газо- и водонепроницаемость, химическая стойкость, электроизолирующие свойства и небольшая плотность.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИНОВЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ПРОЧНОСТЬ МЕТОДОМ ФОТОУПРУГОСТИ

Метод фотоупругости основан на исследовании не самих деталей, а моделей, изготовленных из прозрачной резины. Исследуемые модели представляют собой пластины, имеющие конфигурацию сечения детали и нагруженные силами, подобными действующим в этом сечении детали. Исследования проводятся в поляризованном свете. В результате двойного лучепреломления в напряженной модели на экране получают две системы линий:

изохромы или полосы — линии одинаковых разностей главных напряжений

s1 — s2 = 2tmax = const

изоклины — линии одинакового наклона главных напряжений

w = const;

В монохроматическом свете обе системы полос черные и отчетливо видны изохромы высокого порядка. В экспериментах были получены полосы 70-го порядка, т. е., учитывая размеры моделей, до 5 полос на 1 мм.

В белом свете практически видны 4—5 порядков полос, но эти полосы красочные и четко обозначают области малых напряжений.

Поля изоклин и изохром — основной экспериментальный материал, обработка которого дает возможность определить напряженное состояние в каждой точке модели или построить эпюры напряжений по любому его сечению. Пересчет напряжений для детали производится точно для плоских моделей и с некоторым приближением для объемных.

Метод фотоупругости помогает конструкторам в создании легкой и прочной детали. Прочность материала определяется удельным усилием, которое он может воспринять без разрушения при равномерном распределении напряжений. Однако в деталях, имеющих сложную конфигурацию, напряжения распределяются неравномерно. Возникают области концентрации напряжений, и деталь может разрушиться до того, как среднее

напряжение достигнет опасного значения. Для расчета пользуются либо системой допускаемых напряжений, полученных экспериментально для данных изученных объектов с различными коэффициентами формы, либо величиной предельной нагрузки, определяемой нагружением детали до разрушения. Эти методы верны, но громоздки и не вскрывают причины разрушения.

Если бы были известны характер распределения напряжений в "детали и комбинация напряжений в данной точке, являющаяся разрушающей, то не надо было бы применять коэффициенты формы,

Метод фотоупругости решает первую из этих задач, т. е. дает возможность определить характер распределения напряжений в детали. Вторая задача пока не решена. Однако проведенные эксперименты показывают, что на свободном контуре разрушение происходит в областях наибольших растягивающих напряжений. Более того, во внутренних областях, в которых происходит разрушение, растягивающие напряжения также имеют наибольшие значения.

Проследим на примере двух деталей, как решается задача фотоупругости и как определяется напряжение в детали.

Уплотнительное кольцо круглого сечения, выдавливаемое в зазор. Если радиус кольца много больше радиуса сечения, то напряженное состояние плоскодеформированное.

Моделью уплотнительного кольца круглого сечения является круглый диск, нагруженный по диаметру плоскими плитками. Для сохранения плоской формы диск помещают между двумя жесткими прозрачными пластинами.

При выдавливании диска в зазор, на свободном контуре возникают растягивающие напряжения. Картина полос показана на рис. 1.

При конечных деформациях основной закон фотоупругости имеет вид :

h.(s1 -s2)=hs^h_o.m=s_o^1,0 .m

где h— толщина модели в данной точке;

s1 -s2— разность главных напряжений;

s^h_o — цена полосы материала толщиной h;

hs^h_o=s_o^1,0—величина, постоянная для данного материала;

m—порядок полосы в данной точке.

Вдоль каждой полосы (m = const) разность главных усилий h.(s1 -s2)—постоянна. Порядок полосы m отсчитывается от нулевых точек, т. е. точек, в которых m==0.

На свободном контуре АВ главные напряжения, нормальные контуру, равны нулю. Главные напряжения, параллельные контуру, являются растягивающими. Величина этих напряжений на контуре определяется из картины полос:

s = s^h_o.m

Наибольших значений растягивающие напряжения достигают на краях свободного контура в точках А и В. При дальнейшем нагружении разрушение произошло в одном случае на нижнем крае в точке А (рис. 2, а), а в другом—на верхнем крае свободного контура в точке В (рис. 2,б). Касательные напряжения достигают наибольших значений в точке М (см. рис. 1) и могут вызвать разрушение в этой области модели.

Рис.1 Картина полос в диске, выдавленном в зазор:

А и В – точки максимальных растягивающих напряжений на свободном контуре; О – нулевые точки; М – точки максимального касательного напряжения.

Рис. 2. Разрушение диска, выдавленного в зазор:

а - разрушение в точке А; б – разрушение в точке В.

Пластинчатый амортизатор, работающий на сдвиг. Казалось, что можно так расположить сечение амортизатора, чтобы длина свободного контура уменьшалась, т. е. на контуре не было растягивающих напряжений.

Для проверки к двум параллельным жестким планкам АА и ВВ приклеивали три резиновые пластины (рис. 3,а), оси которых различно ориентированы по отношению к осям планок. При перемещении планки ВВ в плоскости пластин, параллельно планке АА, во всех трех пластинах возникает напряженное состояние. Просвечивание этих моделей в поляризованном свете показало, что на свободном контуре образуются как сжатые так и растянутые участки (рис. 3, б) (получить только сжатый контур невозможно). Точки О—нулевые; слева и справа от них возникают соответственно растягивающие Å и сжимающие Q напряжения.

Рис.3. Исследование пластин на сдвиг:

а – расположение резиновых пластин между параллельными планками АА и ВВ; б – картина изохром (стрелками показано направление сдвига); О – нулевые точки, Å и Q - зоны растягивающих и сжимающих напряжений.

Рис.4. Картина изохром в секторной модели амортизатора шифра 1-1(секторный):

О – нулевые точки

Исследовались модели серийных амортизаторов шифра 1-1 (рис. 4). В этом случае радиус амортизатора немного более размеров сечения и задачу нельзя решать, как задачу о плоскодеформированном напряженном состоянии. Поэтому двумя радиальными сечениями вырезали сектор или элемент переменной толщины. Картина полос в этом элементе получена

в монохроматическом свете. Цена полосы является функцией толщины (рис. 5) и определяется по формуле

Ks^h_o = K .s_o^1,0 / h K = tдет./tмод. = P/2prltмод.

где Р—сила, действующаяна амортизатор;

l—ширина детали в данном сечении;

tдет иtмод — средние касательные напряжения в том же сечении модели и детали.

Напряжения на свободном контуре (рис. 6) модели определяли по формуле

s1 =6 Ks^h_om

Стендовые испытания амортизаторов шифра 1—1 показали,что и в этом случае трещины появляются на контуре в областях наибольших растяжений.